Steuerungstechnik - Carl-Engler-Schule

Steuerungen in der Mechatronik
Carl-Engler-Schule Karlsruhe
Technisches Gymnasium
Steuerungstechnik
Inhaltsverzeichnis
Steuerungstechnik............................................................................................................................ 1
1 Grundbegriffe................................................................................................................................ 4
1.1 Was bedeutet steuern?..........................................................................................................4
1.2 Analog - Digital - Binär...........................................................................................................5
2 Steuerungen mit binären Signalen................................................................................................6
2.1 Digitale Grundverknüpfungen................................................................................................6
2.2 Schaltung nach Funktionsgleichung (3 Eingänge, 1 Ausgang)..............................................8
2.3 Schaltung nach Funktionsgleichung (3 Eingänge, 2 Ausgänge)............................................9
2.4 Entwurf einer Schaltung aus Grundelementen: Wechselschaltung......................................10
2.5 Disjunktive Normalform: eine systematische Lösungsmöglichkeit........................................11
2.6 Prüf- und Sicherheitsschaltung (Übung)..............................................................................12
2.7 Majoritätsschaltung: 2-aus-3-Schaltung (Übung).................................................................13
2.8 Schaltungsvereinfachung.....................................................................................................14
2.9 Schaltungsvereinfachung mit dem KV-Diagramm................................................................15
2.10 Regeln zur Vereinfachung mit dem KV-Diagramm.............................................................15
2.11 Übungen Schaltungsvereinfachung...................................................................................16
2.12 Leuchtpunktanzeige (Übung).............................................................................................17
2.13 Leuchtbandanzeige, "Thermometercode" (Übung)............................................................18
2.14 Teichbefüllungssteuerung (Übung)....................................................................................19
2.15 Zahlensysteme.................................................................................................................. 20
2.16 Windrichtungsanzeige für Windkraftanlage (Übung)..........................................................22
2.17 Sturmsicherung für eine Windkraftanlage (Übung)............................................................24
3 Umsetzung von analogen in digitale Signale und umgekehrt......................................................25
3.1 Digital-Analog-Umsetzer......................................................................................................25
3.2 Analog-Digital-Umsetzer......................................................................................................27
3.3 Komparator (Schwellwertschalter) ohne Hysterese.............................................................28
3.4 Komparator (Schwellwertschalter) mit Hysterese (Schmitt-Trigger).....................................28
3.5 Analoger Schwellwertschalter (Komparator) in LOGO.........................................................29
3.6 Analoger Schadstoffmelder (Übung)....................................................................................31
3.7 Schadstoffkonzentrationsanzeige mit 3 Stufen (Übung).......................................................32
3.8 2-Bit-Analog-Digital-Umsetzer aufgebaut aus 4 Schwellwertschaltern.................................33
3.9 Pumpensteuerung für thermische Solaranlage (Übung)......................................................34
3.10 Jalousiesteuerung (Übung)................................................................................................34
3.11 Temperaturmessung mit PT1000 und Messverstärker (Übung).........................................35
3.12 Heizungsregelung mit 2-Punkt-Regler (Übung)..................................................................36
3.13 Heizungs-Zweipunktregeler mit Temperaturvorwahl am Poti.............................................37
3.14 Fernschalten der Heizung mit dem Smartphone (Übung)..................................................38
4 Speichern von Informationen.......................................................................................................39
4.1 Erklärung des Begriffs Speichern am Beispiel Fahrstuhlanforderung..................................39
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4.2 RS-Flipflop........................................................................................................................... 39
4.3 RS-Flipflop aus Grundgattern..............................................................................................39
4.4 Funktionsbaustein RS-Flipflop.............................................................................................40
4.5 Selektive Bandweiche.......................................................................................................... 41
4.6 Milchanlage.......................................................................................................................... 42
4.7 Reaktionstester.................................................................................................................... 43
4.8 Straßenbahn........................................................................................................................ 44
5 Zeitgeber, Timer.......................................................................................................................... 45
5.1 Einschaltverzögerung.......................................................................................................... 45
5.2 Logo-Ausschaltverzögerung................................................................................................45
5.3 Norm-Ausschaltverzögerung................................................................................................46
5.4 Lauflicht mit Norm-Ausschaltverzögerungen........................................................................46
5.5 Automatisches Lauflicht.......................................................................................................47
5.6 Einfache Ampelsteuerung....................................................................................................47
5.7 Fußgänger-Ampel................................................................................................................ 47
5.8 Fußgänger-Bedarfsampel....................................................................................................47
6 Prinzip von Ablaufsteuerungen....................................................................................................49
6.1 Funktion einer Schrittkette...................................................................................................49
6.2 Grafische Ablaufdarstellung einer einfachen Befüllung........................................................50
6.3 Zugehöriges Zeitablaufdiagramm: einfache Befüllung.........................................................51
6.4 Schaltung aufgebaut in LOGO.............................................................................................52
7 Ablaufsteuerung einer Waschstraße...........................................................................................53
7.1 Aufgaben............................................................................................................................. 54
7.2 Ablaufdarstellung Waschstraße...........................................................................................54
7.3 Zeitablaufdiagramm Waschstraße.......................................................................................55
7.4 Waschstraße Steuerungsschaltung mit Schrittkette aus RS-Flipflops..................................56
7.5 Schrittkette Waschstraße in LOGO......................................................................................57
8 Schaltwerk für eine Waschmaschine...........................................................................................58
8.2 Aufgaben............................................................................................................................. 58
8.3 Ablaufdarstellung Waschmaschine......................................................................................59
8.4 Zeitablaufdiagramm Waschmaschine..................................................................................60
8.5 Erklärung der Funktion des Zeitgebers (Timers)..................................................................60
8.6 Schrittkette Waschmschine, realisiert mit LOGO.................................................................61
9 Schwimmbecken mit Sonnenkollektorheizung.............................................................................62
9.1 Technologieschema............................................................................................................. 62
9.2 Gewünschter Ablauf............................................................................................................. 62
9.3 Aufgaben............................................................................................................................. 62
9.4 Ablaufdarstellung................................................................................................................. 63
9.5 Zeitablaufdiagramm............................................................................................................. 63
9.6 Schrittkette in LOGO mit analoger Temperaturmessung und Meldetexten..........................64
10 Mischanlage.............................................................................................................................. 65
10.1 Technologieschema........................................................................................................... 65
10.2 Gewünschter Ablauf........................................................................................................... 65
10.3 Aufgaben........................................................................................................................... 65
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10.4 Zusatzaufgabe................................................................................................................... 65
10.5 Ablaufdarstellung............................................................................................................... 66
10.6 Zeitablaufdiagramm........................................................................................................... 67
10.7 Mischanlage Schrittkette mit 3 Schritten in LOGO.............................................................68
10.8 Mischanlage Schrittkette mit 4 Schritten in LOGO.............................................................69
10.9 Mischanlage mit analogem Füllstandssensor des Mischbehälters.....................................70
In Arbeit! Letzte Aktualisierung 03.09.15
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Steuerungen in der Mechatronik
1
Grundbegriffe
1.1
Was bedeutet steuern?
Sensoren
Eingabe
Steuerung
Aktoren
Verarbeitung
Ausgabe
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Abhängig von den Eingangsgrößen, die Sensoren liefern werden, werden Ausgangsgrößen mit
Hilfe von Aktoren beeinflusst.
Die Eingangs- und Ausgangsgrößen können analog oder digital sein.
1.1.1 Beispiele für Sensoren
•
•
•
•
•
Schalter, Taster
Temperatursensor
Drucksensor
Helligkeitssensor
Bewegungssensor
1.1.2 Beispiele für Steuerungen
•
•
•
•
•
•
•
Fahrstuhlsteuerung, Garagentorsteuerung
Ampelsteuerung, Treppenhauslicht
Waschmaschinensteuerung
Heizungssteuerung
Ausrichtung einer Windkraftanlage
Automatisches Mischen eines Stoffes
Abfüllanlage
1.1.3 Beispiele für Aktoren
•
•
•
•
Motor, Lüfter, Ventilator
Pumpe, Ventil
Beleuchtung
Heizung
1.1.4 Beispiel für ein einfaches Steuerungssystem
24V
24V
24V
24V
LogoKleinsteuerung
GND
Eingabe
Verarbeitung
Ausgabe
Zwei Schalter sind an eine Logo-Kleinsteuerung angeschlossen und schalten über zwei
Relaiskontakte zwei 24V- oder 230V-Lampen.
Die Kleinsteuerung benötigt eine Versorgungsspannung, damit in ihr ein Programm abgearbeitet
werden kann. An den Ausgängen verwendet man oft Relaiskontakte. Dann kann man den
Verbraucher und die Versorgungsspannung frei wählen.
Die Relaiskontakte schließen dann einen vollständigen Stromkreis.
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Steuerungen in der Mechatronik
1.2
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Analog - Digital - Binär
Steuerungen arbeiten mit analogen und digitalen Signalen.
1.2.1 Analog
•
•
•
Es sind unendlich viele Zwischenwerte sind möglich.
Beispiel: Spannung zwischen 0V und 10V
Eine Uhr mit mechanischen Zeigern ist eine Analoguhr.
1.2.2 Digital
•
•
•
Es sind abzählbar viele Zustände möglich.
Beispiel. Analoge Musik und Sprache wird vor der Speicherung im PC / Handy / MP3Player / CD digitalisiert in 256 (8-Bit) oder 65536 (16-Bit) Spannungswerte
Farben auf dem PC-Bildschirm oder im Foto werden in abzählbar viele Abstufungen
digitalisiert (z.B. 8, 16, 24 Bit)
1.2.3 Binär (boolean)
•
•
•
Zwei digitale Zustände bezeichnet man als binär.
Logisch 1 = High (H) = wahr = true
Logisch 0 = Low (L) = falsch = false
In einer Steuerung verwendet man z.B. binäre Signale:
•
Taster am Eingang nicht gedrückt (0V) -> Low -> 0
•
Taster am Eingang gedrückt (24V) -> High -> 1
•
1 -> Kontakt am Ausgang geschlossen -> Lampe leuchtet
•
0 -> Kontakt am Ausgang offen -> Lampe leuchtet nicht
Zunächst beschäftigen wir uns mit digitalen Steuerungen. Obwohl diese nur 2 Zustände kennt,
bezeichnet man sie nicht als Binärtechnik, sondern als Digitaltechnik.
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Steuerungen in der Umwelttechnik
2
Steuerungen mit binären Signalen
2.1
Digitale Grundverknüpfungen
Funktionsgleichung
Symbol
NOT (Negation) NICHT
A
1
Y
&
B
Y
1
Y
B
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in Worten
A Y
0 1
1 0
Y=A&B
Y = A AND B
Y=A●B
Y = A B
B
0
0
1
1
A
0
1
0
1
Y
0
0
0
1
Nur wenn alle beschalteten
Eingänge 1 sind, wird der Ausgang
eins (LED leuchtet).
Y=A+B
Y = A OR B
Y=A+B
Y = A B
B
0
0
1
1
A
0
1
0
1
Y
0
1
1
1
Wenn mindestens ein beschalteter
Eingang 1 ist, wird der Ausgang 1.
OR (Disjunktion) ODER
A
Funktionstabelle
Y = !A
Y = NOT A
Y = /A
Y= A
AND (Konjunktion) UND
A
Symbol in LOGO
Eingänge: I
Ausgänge: Q
Amerikanische
Darstellung
z.B. Labview
Wenn der Schalter am Eingang
aus ist, leuchtet die LED aus
Ausgang und umgekehrt.
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Steuerungen in der Umwelttechnik
NAND
A
B
0
0
1
1
A
0
1
0
1
Y
1
1
1
0
B
0
0
1
1
A
0
1
0
1
Y
1
0
0
0
Y=A$B
Y = A XOR B
Y = A*/B + /A*B
Y = A B
B
0
0
1
1
A
0
1
0
1
Y
0
1
1
0
Nur wenn genau ein Eingang 1 ist,
wird der Ausgang 1.
(nur 2 Eingänge möglich)
Y = A !$ B
Y = A XNOR B
Y = A*B + /A*/B
Y = A B
B
0
0
1
1
A
0
1
0
1
Y
1
0
0
1
Wenn die Eingänge gleich sind,
wird der Ausgang 1.
(nur 2 Eingänge möglich)
Y = !(A & B)
&
B
Y = NOT(A AND B)
Y
NOR
Y = /(A ● B)
Y = A B
Y = !(A + B)
A
1
Y = NOT (A AND B)
Y
B
Y = /(A + B)
Y = A B
XOR (Antivalenz)
A
B
=1
Y
XNOR (Äquivalenz)
A
B
=
Y
UND / ODER / NAND / NOR
XOR und NXOR
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Wie ein UND,
dessen
Ausgang
invertiert ist.
Ausgang wird 1, sobald
mindestens ein Eingang 0 ist.
Wie ein ODER,
mit invertiertem
Ausgang.
Ausgang wird 1, wenn alle
Eingänge 0 sind.
Verknüpfungen können beliebig viele Eingänge haben.
... nur 2 Eingänge.
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Steuerungen in der Mechatronik
2.2
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Schaltung nach Funktionsgleichung (3 Eingänge, 1 Ausgang)
Eingänge: 3 Schalter I1 bis I3
Ausgänge: 2 LEDs Q1 und Q2
Aufgaben:
•
Bauen Sie folgende Schaltungen mit der LOGO!-Steuerung auf:
Q1 = / I1 * I2 * / I3 (sprich: NICHT I1 UND I2 UND NICHT I3)
Q2 = I1 * / I2 * / I3 (sprich: I1 UND NICHT I2 UND NICHT I3)
•
Vervollständigen Sie die Funktionstabelle
•
Erklären Sie in Worten, in welchen Fällen die LEDs Q1 und Q2 leuchten.
Schaltung und Funktionstabelle:
I3
0
0
0
0
1
1
1
1
I2
0
0
1
1
0
0
1
1
I1
0
1
0
1
0
1
0
1
Q1
0
0
1
0
0
0
0
0
Q2
0
1
0
0
0
0
0
0
Erklärungen:
•
Q1 leuchtet, wenn die beschalteten Eingänge der UND-Verknüpfung eins werden.
Da I1 und I3 vor der UND-Verknüpfung invertiert werden leuchtet Q1 wenn
•
I1 = 0 ist und
•
I2 = 1 ist und
•
I3 = 0 ist.
•
Setzt man genau diese Kombination in die Gleichung Q1 = / I1 * I2 * / I3 ein,
Q1 = /0 * 1 * /0 = 1 * 1 * 1
so erhält man Q1 = 1.
•
Zusammenfassung: Q1 = / I1 * I2 * / I3
Q1 wird 1 wenn I1 = 0 UND I2 = 1 UND I3 = 0 ist.
•
Q2 leuchtet, wenn die beschalteten Eingänge der UND-Verknüpfung eins werden.
Da I2 und I3 vor der UND-Verknüpfung invertiert werden leuchtet Q2 wenn
•
I1 = 1 ist und
•
I2 = 0 ist und
•
I3 = 0 ist.
•
Setzt man genau diese Kombination in die Gleichung Q2 = I1 * / I2 * / I3 ein,
Q2 = 1 * /0 * /0 = 1 * 1 * 1
so erhält man Q2 = 1.
•
Zusammenfassung: Q2 = I1 * / I2 * / I3
Q2 wird 1 wenn I1 = 1 UND I2 = 0 UND I3 = 0 ist.
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Steuerungen in der Mechatronik
2.3
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Schaltung nach Funktionsgleichung (3 Eingänge, 2 Ausgänge)
Eingänge: 3 Schalter I1 bis I3
Ausgänge: 2 LEDs Q1 und Q2
Aufgaben:
•
Bauen Sie folgende Schaltungen mit der LOGO!-Steuerung auf:
Q1 = / I1 * I2
(sprich: NICHT I1 UND I2
+ I1 * I3
ODER I1 UND I3)
Q2 = I1 * / I2
+ / I3
•
Vervollständigen Sie die Funktionstabelle
•
Erklären Sie in Worten, in welchen Fällen die LEDs Q1 und Q2 leuchten.
Schaltung und Funktionstabellen:
Erklärungen Q1 = / I1 * I2
•
•
+
I1 * I3
I3
0
0
0
0
1
1
1
1
I2
0
0
1
1
0
0
1
1
I1
0
1
0
1
0
1
0
1
Q1
0
0
1
0
0
1
1
1
Q2
I3
0
0
0
0
1
1
1
1
I2
0
0
1
1
0
0
1
1
I1
0
1
0
1
0
1
0
1
Q1
Q2
1
1
1
1
0
1
0
0
Q1 wird 1
•
wenn ( I1 = 0 UND I2 = 1) werden , I3 ist dabei gleichgültig (0 oder 1)
•
ODER wenn (I1 = 1 UND I3 = 1) werden, I2 ist dabei gleichgültig (0 oder 1).
Weil bei beiden UND-Verknüpfungen nur 2 der 3 Eingänge angeschlossen werden,
ist der Zustand des 3. Eingang gleichgültig. Dies sind jeweils 2 Zeilen in der
Funktionstabelle!
Erklärungen Q2 = I1 * / I2 + / I3
•
Q2 wird 1
•
wenn (I1 = 1 UND I2 = 0) werden, I3 ist dabei gleichgültig (0 oder 1)
•
ODER wenn I3 = 0 wird, I1 und I2 sind dabei gleichgültig (0 oder 1)
•
Bei I1 * / I2 ist der Zustand von I3 gleichgültig -> 2 Fälle in der Funktionstabelle
•
Bei / I3 werden I1 und I2 nicht abgefragt -> gleichgültig -> 4 Fälle in der Tabelle
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Steuerungen in der Mechatronik
2.4
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Entwurf einer Schaltung aus Grundelementen: Wechselschaltung
Eingänge: 2 Schalter
Ausgänge: 1 Beleuchtung
Aufgabe:
•
Wenn beide Schalter aus sind, soll die Lampe aus sein.
•
Wenn man einen Schalter umschaltet, soll die Lampe ihren Zustand ändern.
(Ändern: Wenn die Lampe an war, soll sie aus gehen und umgekehrt).
•
Erstellen Sie die Funktionstabelle.
I2
0
0
1
1
•
I1
0
1
0
1
Q
0
1
1
0
Bauen Sie die Schaltung ausschließlich aus beliebig vielen digitalen
Grundbausteinen UND, ODER, NICHT auf.
Hilfestellung:
Wir zerlegen das Problem in 2 Schritte: Für jede Zeile, in welcher der Ausgang 1 wird,
erstellen wir zunächst eine eigene Schaltung:
Fall Zeile 2:
I2
0
0
1
1
I1
0
1
0
1
Q1
0
1
0
0
Je 1 Schaltung
für Zeile 2 und Zeile3
Die Schaltung für den 2. Fall, in welcher der Ausgang 1 wird sieht
so aus
Fall Zeile 3:
I2
0
0
1
1
I1
0
1
0
1
Q2
0
0
1
0
Zusammenfassen:
Fall Zeile 2
oder Zeile3
tritt auf:
Nun fassen wir beide Fälle zusammen:
Die Lampe soll angehen,
wenn der Fall Zeile 2 oder Zeile 3 eintritt:
Dies ist die Lösung!
abgelesene Funktionsgleichung:
Q1 = (I1 * /I2) + (/I1 * I2)
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; wobei * UND, AND; + ODER, OR ; / NICHT, NOT
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2.5
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Disjunktive Normalform: eine systematische Lösungsmöglichkeit
Aufgabe wie oben: Wechselschaltung
I2
0
0
1
1
I1
0
1
0
1
Q1
0
1
1
0
(/ I2 * I1)
(I2 * / I1)
abgelesen: Q1 = (/ I2 * I1) + (I2 * / I1), dies ist exakt die Lösung aus 2.2!
2.5.1 Vorgehen beim Ablesen der Funktionsgleichung aus der Funktionstabelle
•
Funktionstabelle erstellen
•
Für jede Zeile, in der unter dem Ausgang eine 1 steht, wird eine UND-Verknüpfung
aller Eingänge erstellt, dabei werden alle Eingänge invertiert, bei denen in der Zeile
eine 0 steht.
•
Am Schluß werden alle UND-Verknüpfungen mit einem ODER zusammengefasst.
2.5.2 Schaltung nach disjunktiver Normalform
Man erhält mit dieser Lösungsmethode immer eine Schaltung, die nach dem gleichen
Muster aufgebaut ist.
•
zunächst werden die Eingänge invertiert oder nicht invertiert
•
dann werden die Eingänge auf UND-Verknüpfungen geführt
•
anschließend werden die Ausgänge der UND-Verknüpfungen mit ODER verknüpft
Q1 = (/ I2 * I1) + (I2 * / I1)
I2 I1
1
&
≥1
1
NICHT
Q1
&
UND
ODER
Versuchen Sie in Zukunft die Schaltungen in LOGO auch immer nach diesem "Muster" zu
zeichnen. Dies erhöht die Übersicht und macht die Schaltungen verständlicher.
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2.6
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Prüf- und Sicherheitsschaltung (Übung)
Eingänge: 2 Schalter (binäre Sensoren)
Ausgänge: 1 rote Anzeige-LED, grüne Anzeige-LED
Aufgabe 1:
•
In einer sicherheitsrelevanten Steuerung werden Sensoren, die dasselbe messen,
zwei- oder dreifach ausgeführt.
•
Hier soll überprüft werden, ob 2 Sensoren das gleiche Signal liefern.
•
Die grüne LED soll angehen, wenn die Sensoren das gleiche Signal liefern.
•
Geben Sie die Funktionstabelle, die disjunktiven Normalformen und die in LOGO
aufgebaute Schaltung an.
Aufgabe 2: zusätzliche Schaltung!
•
Die rote LED soll angehen wenn die Sensoren unterschiedliche Signale liefern.
Lösung:
I2
0
0
1
1
I1
0
1
0
1
rot
0
1
1
0
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grün
1
0
0
1
grün = (/ I2 * / I1 ) + ( I2 * I1 )
rot = (/ I2 * I1 ) + ( I2 * / I1 )
(wie Aufg 2.2)
einfacher: rot = / grün
Denkweise: rot geht an, wenn grün aus.
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Steuerungen in der Mechatronik
2.7
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Majoritätsschaltung: 2-aus-3-Schaltung (Übung)
Eingänge: 3 Schalter (binäre Sensoren)
Ausgänge: 1 grüne Anzeige-LED, 1 gelbe Anzeige-LED
Aufgabe:
•
Wenn mindestens 2 Sensoren H-Signal zeigen, leuchtet die gelbe LED.
(Dies ist die Majoritätsschaltung. Majorität = Mehrheit)
•
Wenn alle 3 Sensoren H-Signal zeigen, leuchtet zusätzlich die grüne LED.
Lösung:
I3
0
0
0
0
1
1
1
1
I2
0
0
1
1
0
0
1
1
I1
0
1
0
1
0
1
0
1
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Gelb
0
0
0
1
0
1
1
1
Grün
0
0
0
0
0
0
0
1
Gelb = (/ I3 * I2 * I1) + (I3 * / I2 * I1)
+ (I3 * I2 * / I1) + (I3 * I2 * I1)
Grün = (I3 * I2 * I1)
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Steuerungen in der Mechatronik
2.8
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Schaltungsvereinfachung
Durch Überlegung erkennt man, dass sich die Majoritätsschaltung auch mit UNDVerknüpfungen aufbauen lässt, die nur 2 Eingänge besitzen:
Q = (I2 * I1) + (I3 * I1) + (I3 * I2)
Ursprüngliche Schaltung (disjunktive Normalform)
I3
I1
I2
1
1
1
Vereinfachte Schaltung
I3 I2 I1
&
&
&
≥1
Q
&
&
≥1
Q
&
&
Es muss demnach eine systematische Möglichkeit geben, die Schaltung zu vereinfachen.
Erklärung, warum sich diese Schaltung vereinfachen lässt:
Vorgehen: 1) Evtentuell erweitern, 2) vereinfachen durch Zusammenfassung:
Gelb = (/I3 * I2 * I1) + (I3 * /I2 * I1) + (I3 * I2 * /I1) + (I3 * I2 * I1)
Gelb = (/I3 * I2 * I1) + (I3 * /I2 * I1) + (I3 * I2 * /I1) + (I3 * I2 * I1) + (I3 * I2 * I1) + (I3 * I2 * I1)
Gelb = (I2 * I1) +
(I3 * I1) +
(I3 * I2 )
Prinzip der Vereinfachung: unterscheiden sich 2 Terme nur durch eine Variable, so kann
man sie zusammenfassen:
z.B. (/I3 * I2 * I1) + (I3 * I2 * I1) unterscheiden sich nur durch I3
Bei der Zusammenfassung wird daraus (I2 * I1)
Regeln:
y = (a * b)
lässt sich erweitern zu y = (a * b) + (a * b) + (a * b) usw.
y = (a * b) + (a * /b)
lässt sich vereinfachen zu y = a
y = (a * b * c) + (a * b * /c)
lässt sich verienfachen zu y = (a * b)
Steuerungstechnik-Mech2015.odt
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Technisches Gymnasium
Steuerungen in der Mechatronik
2.9
Schaltungsvereinfachung mit dem KV-Diagramm
2.9.1 2 Eingänge
Nr
0
1
2
3
b
0
0
1
1
a
0
1
0
1
Q
3
2
1
0
2.9.2 3 Eingänge
Nr
0
1
2
3
4
5
6
7
c
0
0
0
0
1
1
1
1
b
0
0
1
1
0
0
1
1
a
0
1
0
1
0
1
0
1
Q
3
7
6
2
1
5
4
0
2.9.3 4 Eingänge
Nr
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
2.10
•
•
•
•
•
•
•
•
•
d
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
1
1
1
1
1
1
c
0
0
0
0
1
1
1
1
0
0
0
0
1
1
1
1
b
0
0
1
1
0
0
1
1
0
0
1
1
0
0
1
1
a
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
Q
Regeln zur Vereinfachung mit dem KV-Diagramm
3
7
6
2
11
15
14
10
9
13
12
8
1
5
4
0
I1
I2
3
7
6
2
11 15 14 10
9
13 12
8
1
5
0
4
I4
I3
Das KV-Diagramm hat so viele Felder wie Zeilen in der
Funktionstabelle.
Für jeden Ausgang ein KV-Diagramm verwenden.
Nummerierung darf nur verwendet werden, wenn die Reihenfolge der Eingänge (I4,I3,I2,I1)
in der Funktionstabelle mit der Beschriftung des KV-Diagramms übereinstimmen
(oberhalb links I1, linke Seite oben I2, unten Mitte I3, rechts Mitte I4).
Zusammengefasste Blöcke bestehen aus 1,2,4,8,... Einsen.
Je größer der Block ist, desto größer ist die Vereinfachung.
Die Blöcke müssen symmetrisch zu eingezeichneten Linien des KV-Diagramms sein.
Jede Eins muss mindestens einmal berücksichtigt werden, dürfen aber in mehreren
Blöcken vorkommen.
Innerhalb eines Block steht UND •
Die Blöcke werden ODER-verknüpft +.
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Technisches Gymnasium
Steuerungen in der Mechatronik
2.11
Übungen Schaltungsvereinfachung
a
b
1
a
1
1
1
b
1
1
1
1
c
c
a
a
b
1
1
1
1
1
1
1
b
d
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
c
c
a
b
d
a
1
1
1
1
1
1
1
1
1
c
Steuerungstechnik-Mech2015.odt
Otto Bubbers
1
b
d
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
d
c
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Steuerungen in der Mechatronik
2.12
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Technisches Gymnasium
Leuchtpunktanzeige (Übung)
Mit drei Meldern (A, B, C) wird die Konzentration an Schadstoffen gemessen.
Es ist eine Leuchtpunkt-Anzeige nach folgendem Muster zu entwerfen:
•
Wenn genau ein Melder H-Signal zeigt, geht Lampe L1 an.
•
Wenn genau zwei Melder H-Signal zeigen, geht Lampe L2 an.
•
Wenn genau drei Melder H-Signal zeigen, geht Lampe L3 an.
E1
L3
E2
L2
Logik
L1
E3
Leuchtpunkt-Anzeige
3 Melder
Lösung:
E3
0
0
0
0
1
1
1
1
E2
0
0
1
1
0
0
1
1
E1
0
1
0
1
0
1
0
1
L1
L2
L3
1
1
1
1
1
1
1
abgelesen aus Funktionstabelle:
L1 = (/E3 * /E2 * E1)
+ (/E3 * E2 * /E1)
+ (E3 * /E2 * /E1)
L2 = (/E3 * E2 * E1)
+ (E3 * /E2 * E1)
+ (E3 * E2 * /E1)
L3 = (E3 * E2 * E1)
mithilfe der Gleichungen die nebenstehende
Schaltung aufgebaut:
Steuerungstechnik-Mech2015.odt
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Seite 17 von 76
Steuerungen in der Mechatronik
2.13
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Technisches Gymnasium
Leuchtbandanzeige, "Thermometercode" (Übung)
Mit drei Meldern (A, B, C) wird die Konzentration an Schadstoffen gemessen.
Es ist eine Leuchtband-Anzeige nach folgendem Muster zu entwerfen:
•
Wenn mindestens ein Melder H-Signal zeigt, geht Lampe L1 an.
•
Wenn mindestens zwei Melder H-Signal zeigen, geht zusätzlich L2 an.
•
Wenn mindestens drei Melder H-Signal zeigen, geht zusätzlich L3 an.
•
Wenn alle Melder H-Signal zeigen, gehen alle Lampen an.
E1
L3
E2
L2
Logik
L1
E3
Leuchtpunkt-Anzeige
3 Melder
Lösung:
E3
0
0
0
0
1
1
1
1
E2
0
0
1
1
0
0
1
1
E1
0
1
0
1
0
1
0
1
L1
1
1
1
1
1
1
1
L2
L3
1
1
1
1
1
L1 = E1 + E2 + E3
L2 = (E1 * E2) + (E1 * E3) + (E2 * E3)
Gleiche Schaltung wie bei
Majoritätsschaltung, 2-aus-3-Schaltung!
L3 = E1 * E2 * E3
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Steuerungen in der Mechatronik
2.14
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Teichbefüllungssteuerung (Übung)
Als Amphibienfreunde wollen wir das Überleben der Frösche im Gartenteich sichern und
entwickeln eine Steuerung zur Befüllung eines Froschteiches mit zwei Pumpen.
Pumpe
P1
Pumpe
P2
Sensor C
Sensor B
Sensor A
Die Sensoren liefern 1 Signal wenn das Wasser sie erreicht
bzw. 0 Signal, wenn kein Wasser am Sensor ist.
•
Befindet sich der Wasserstand unterhalb des Sensors A, dann müssen beide
Pumpen laufen.
•
Befindet sich der Wasserstand zwischen den Sensoren A und B darf nur Pumpe 1
laufen.
•
Befindet sich der Wasserstand zwischen den Sensoren B und C darf nur Pumpe 2
laufen.
•
Erreicht der Wasserstand den Sensor C oder höher darf keine der Pumpen in
Betrieb sein.
•
Wenn die Sensoren einen Zustand melden, der nicht möglich ist ("schwebendes
Wasser"), gehen beide Pumpen aus und ein Warnsignal ertönt.
Eingänge: C, B, A
Ausgänge: P1, P2, W
Lösung:
C
0
0
0
0
1
1
1
1
B
0
0
1
1
0
0
1
1
A
0
1
0
1
0
1
0
1
P1
1
1
P2
1
W
1
1
1
1
1
P1 = (/C * /B) vereinfacht von P1 = (/C * /B * A) + (/C * /B * /A)
P2 = (/C * /B * /A) + (/C * B * A)
W = (B * /A) + (C * /B)
vereinfacht von W = (/C * B * /A) + (C * B * /A) + (C * /B * A) + (C * /B * /A)
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Steuerungen in der Mechatronik
2.15
Zahlensysteme
2.15.1 Dezimalzahl
Zahlenvorrat: Ziffern 0 bis 9
Basis: 10 → 10 Ziffern
Wertigkeit
Dezimalzahl
1000
103
100
102
10
101
1
100
2
0
4
8
Bedeutet: 2 * 1000 + 0 * 100 + 4 * 10 + 8 *1
2.15.2 Dualzahl (binär) und Umwandlung von Dual- in Dezimalzahl
Zahlenvorrat: Ziffern 0 und 1
Basis: 2 → 2 Ziffern
Wertigkeit
128
27
64
26
32
25
16
24
8
23
4
22
2
21
1
20
Dualzahl
1
1
0
0
1
0
1
1
Bedeutet: 1*128 + 1*64 + 0*32 + 0*16 + 1*8 + 0*4 + 1*2 +1*1 = 203dez
Beispiel Dualzahl:
mov
p1,#10000000b
2.15.3 Umwandlung von Dezimal- in Dualzahl
203dez = ?dual
Wertigkeit
128
27
64
26
32
25
16
24
8
23
4
22
2
21
1
20
Dualzahl
?
?
?
?
?
?
?
?
X
X
203
-128
↓
75
-64
↓
11
-8
↓
3
X
-2
↓
1
-1
↓
0
Wertigkeit
128
27
64
26
32
25
16
24
8
23
4
22
2
21
1
20
Dualzahl
1
1
0
0
1
0
1
1
Steuerungstechnik-Mech2015.odt
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Steuerungen in der Mechatronik
2.15.4 Hexadezimal (Sedezimal)
Zahlenvorrat: Ziffern 0 bis 9, A bis F
Basis: 16 → 16 Ziffern
Wertigkeit
Dezimalzahl
4096
163
256
162
16
161
1
160
1
0
A
F
Bedeutet: 1 * 4096 + 0 * 256 + A * 16 + F 1
= 1 * 4096 + 10 * 16 + 15 * 1
= 4271dez
2.15.5 Umwandlung Dualzahl → Hexadezimalzahl
Dezimal
Wertigkeit
203
umgewandelt in Dualzahl:
128 64
32
16
8
4
2
1
Dualzahl
1
1
0
0
1
0
1
1
Wertigkeit für Umwandlung
in Hexadezimalzahl
8
4
2
1
8
4
2
1
Hexadezimalzahl
C
B
Wertigkeit Hexzahl
16
1
2.15.6 Umwandlung Hexadezimalzahl in Dezimalzahl
CBhex = C * 16 + B * 1 = 12 * 16 + 11 * 1 = 203dez
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Steuerungen in der Mechatronik
2.16
Windrichtungsanzeige für Windkraftanlage (Übung)
D1
D2
D4
Steuerung
N
S
W
O
Windrichtungs- Dualzahl
Erfassung
WindrichtungsAnzeige
Dualzahl
Anzeige
Dezimalzahl
Himmelsrichtung
D4
D2
D1
N
O
S
0
N
0
0
0
1
1
NO
0
0
1
1
2
O
0
1
0
1
3
SO
0
1
1
1
4
S
1
0
0
1
5
SW
1
0
1
1
6
W
1
1
0
7
NW
1
1
1
W
1
1
1
1
1
1
Die Ansteuerung einer Windrichtungsanzeige für eine Windkraftanlage wird entworfen.
Ein Sensor erfasst 8 verschiedene Positionen und liefert auf 3 Leitungen die als Dualzahl
kodierte Himmelsrichtung. Wir legen fest: Norden = 0, Nordosten = 1, Osten = 2 usw.
Bei der Anzeige sind die Leuchtschriften für N und S sowie W und O transparent
hintereinander angebracht. Man sieht immer nur N oder S bzw. W oder O leuchten.
Entwerfen Sie die Steuerung.
Anleitung: Geben Sie zunächst die disjunktiven Normalformen an und vereinfachen Sie
dann die Gleichungen bevor Sie die Schaltungen in LOGO eingeben. Alternativ können Sie
die Vereinfachungen auch aus der Funktionstabelle entnehmen.
2.16.1 Lösung
N = (/D4 * /D2) + (D4 * D2 * D1)
Dies ist bereits die vereinfachte Gleichung, ablesen aus der Funktionstabelle: Die
Gleichung für die unter N stehenden Einsen (Zeilen 0 und 1) kann man zusammenfassen,
weil in beiden Zeilen unter D4 und D2 das Gleiche steht.
Wenn man beide Zeilen einzeln abliest, ergibt sich: (/D4 * /D2 * D1) + (/D4 * /D2 * /D1) .
Auch hier sieht man, dass sich die Terme zusammenfassen lassen.
Für O sind zwei Vereinfachungen möglich: Zeilen 1 und 3 sowie Zeilen 2 und 3 lassen sich
jeweils zusammenfassen, man erhält:
O = (/D4 * D1) + (/D4 * D2 )
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Durch Ablesen der disjunktiven Normalform (jede Zeile mit 1 einzeln) erhält man:
O = (/D4 * /D2 * D1) + (/D4 * D2 * /D1) + (/D4 * D2 * D1)
Bevor man 2x 2 Terme zusammenfassen kann, muss man erst den Term, den man 2x
braucht "verdoppeln":
Erweitert: O = (/D4 * /D2 * D1) + (/D4 * D2 * /D1) + (/D4 * D2 * D1) + (/D4 * D2 * D1)
Nun kann man die Vereinfachung durchführen:
O = (/D4 * D1) + (/D4 * D2 )
S = (D4 * /D2) + (/D4 * D2 * D1) , dabei war eine Vereinfachung möglich.
W = (D4 * D1) + (D4 * D2), dabei waren wieder 2 Vereinfachungen möglich.
2.16.2 Schaltung
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2.17
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Sturmsicherung für eine Windkraftanlage (Übung)
Ein Windgeschwindigkeitsmesser liefert die Windstärke in Beauford (0-12) kodiert als
Dualzahl.
Ab Windstärke 10 soll die Sturmsicherung ansprechen.
Bei Windstärke 8 und 9 soll eine gelbe Warnleuchte an gehen.
Entwerfen Sie beide Schaltungen.
Anleitung: Erstellen Sie eine Funktionstabelle, dann die disjunktiven Normalformen.
Vereinfachen Sie dann die Gleichungen oder lesen Sie aus der Funktionstabelle gleich die
vereinfachten Gleichungen ab.
dez
D8
D4
D2
D1
0
0
0
0
0
1
0
0
0
1
2
0
0
1
0
3
0
0
1
1
4
0
1
0
0
5
0
1
0
1
6
0
1
1
0
7
0
1
1
1
8
1
0
0
0
Sturm
Warn
1
9
1
0
0
1
10
1
0
1
0
1
1
11
1
0
1
1
1
12
1
1
0
0
1
13
1
1
0
1
1
14
1
1
1
0
1
15
1
1
1
1
1
Sturm = (D8 * D4) + (D8 * D2)
Warn = (D8 * /D4 * /D2)
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Steuerungen in der Mechatronik
3
Umsetzung von analogen in digitale Signale und umgekehrt
3.1
Digital-Analog-Umsetzer
Häufig verwendete Abkürzungen: DAU oder DAC (digital-analog-converter)
An den Eingang des DAU legt man eine Dualzahl an, am Ausgang erhält eine entsprechende
analoge Spannung.
3.1.1 Beispiel 4-Bit-Digital-Analog-Umsetzer
Zur einfachen Erklärung der Wirkungsweise wird der DAU mit
einer Versorgungsspannung von 16V versorgt. Der Ausgang
kann dann eine Spannung im Bereich von 0 bis 16V ausgeben.
Mit 4 digitalen Eingängen lassen sich 24 = 16 verschiedene
Zahlen darstellen. Man erhält die in der Tabelle aufgeführten
Zuordnungen zwischen Dualzahl, Dezimalzahl und Spannung.
16V
D8
D
D4
D2
D1
Digitale
Eingänge
A
Analoger
Ausgang
Dualzahl (digital)
Analogwert
D8
D4
D2
D1
dezimal
U in V
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
1
0
0
1
0
2
2
0
0
1
1
3
3
0
1
0
0
4
4
0
1
0
1
5
5
0
1
1
0
6
6
0
1
1
1
7
7
1
0
0
0
8
8
1
0
0
1
9
9
1
0
1
0
10
10
1
0
1
1
11
11
1
1
0
0
12
12
1
1
0
1
13
13
1
1
1
0
14
14
1
1
1
1
15
15
Wenn man an den DAU nacheinander
die Dualzahlen 0000 bis 1111 anlegt
uns sich die zugehörigen analogen
Spannungen am Ausgang ansieht,
erhält man den dargestellten Verlauf.
Folgendes fällt auf:
•
Mit dem 4-Bit-Umsetzer lassen sich
nur analoge Spannungen in 1VSchritten erzeugen, Zwischenwerte
sind nicht möglich.
•
Der "Endwert" 16V wird nicht
erreicht, die maximal mögliche
Spannung ist 15V, also 1 Stufe
weniger als der "Endwert".
Die Auflösung dieses Umsetzers beträgt:
Spannungsbereich 16V 16V
= 4 =
=1V
Anzahl der Zahlen
16
2
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3.1.2 Verschiedene Auflösungen im Vergleich
Jedes hinzukommende Bit am Eingang des Digital-Analog-Umsetzers verdoppelt die Anzahl der
Stufen und verbessert damit die Auflösung.
4-Bit-DAU
Spannungsbereich 16V 16V
= 4 =
=1V
Anzahl der Zahlen
16
2
5-Bit-DAU
16V 16V
=0,5 V
5 =
32
2
6-Bit-DAU
16V 16V
=0,25V
6 =
64
2
1 Stufe = 1V
1 Stufe = 0,5V
1 Stufe = 0,25V
8-Bit-DAU
12-Bit-DAU
16-Bit-DAU
16V 16V
=0,0625 V
8 =
256
2
1 Stufe = 62,5mV
16V 16V
=3,9 mV
12 =
4096
2
1 Stufe = 3,9mV
16V
16V
=0,25 V
6 =
65536
2
1 Stufe = 0,244mV
3.1.3 Aufgabe: 16-Bit-DAU arbeitet mit 0 bis 10V
Berechnung der Auflösung:
3.1.4 Aufgabe: 16-Bit-DAU arbeitet mit -10V bis 10V
Berechnung der Auflösung:
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3.2
Analog-Digital-Umsetzer
Häufig verwendete Abkürzungen: ADU oder ADC (analog-digital-converter)
Ein Analog-Digital-Umsetzer liefert immer "nach Aufforderung" einen neuen Digitalwert, Sample
genannt. Diese Aufforderung erfolgt durch ein Taktsignal. Bei einem Taktsignal von 40kHz fallen
also 40.000 Samples pro Sekunde an.
Beispiel 1:
Blockschaltbild eines 8-Bit-Analog-Digital-Umsetzers
mit 10V Spannungsversorgung und einer Samplingrate
von 40.000 Samples pro Sekunde.
Takt = Samplingrate = 40kHz
Ubatt=10V
A
Dieser ADU liefert 40.000 Digitalwerte pro Sekunde mit einer
Auflösung von
Spannungsbereich 10V 10V
= 8 =
=39mV
Anzahl der Zahlen
256
2
D
Analoger
Eingang
Digitale
Ausgänge
Beispiel 2:
ADU für CD-Qualität mit 16Bit (=2Byte) und einer Samplingrate von 44,1kHz.
Bei einem Stereo-Signal fallen also 44.100 * 2 Byte * 2 Kanäle = 176.400 Bytes Informationen pro
Sekunde an, entspricht einem "Bitstrom" von 1,4112 MBit/s.
3.2.1 Aufgabe: PT1000 am Messeingang für Widerstände des myDAQ
Der ADU im myDAQ abeitet mit 16 Bit. Der Widerstandsmessbereich beträgt 0 bis 20MΩ.
Bei 0°C hat der PT1000 einen Widerstandswert von R0=1000Ω, bei 100°C beträgt R100=1385Ω.
Berechnung der Auflösung in Ω und °C:
Auflösung=
Wertebereich
20MΩ 20MΩ
=
=
=305,18 Ω
16
Anzahl der Zahlen
65536
2
385Ω ≙ 100°
->
Auflösung : 78°C
1Ω ≙ 0,2597°
Man muss den Messbereich also unbedingt einschränken, wenn man bei Zimmertemperatur misst:
Messbereich 0 bis 20kΩ:
Auflösung=
Wertebereich
20k Ω 20k Ω
= 16 =
=0,30518 Ω=0,078°C
Anzahl der Zahlen
65536
2
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3.3
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Komparator (Schwellwertschalter) ohne Hysterese
Komparator bedeutet Vergleicher. Dieses Bauteil vergleicht einen analogen Wert mit einem
Vergleichswert und zeigt an seinem Ausgang durch ein digitales High oder Low an, ob der Wert
größer oder kleiner als der Vergleichswert ist.
Folgende Schaltzeichen sind gebräuchlich:
comp
Bei den Symbolen mit 2 Eingängen schließt man auch den Vergleichswert am Bauteil an, wenn
nur ein Eingang dargestellt ist, ist der Vergleichswert fest. Der Vergleichswert wird auch
Schaltschwelle genannt.
Spannung
Schaltschwelle
Vergleichswert
Ausgang Q
t
t
3.4
Komparator (Schwellwertschalter) mit Hysterese (Schmitt-Trigger)
Ein Komparator besitzt oft 2 Schaltschwellen, der Abstand der Schaltschwellen wird Hysterese
genannt. Die Hysterese wird in Volt, Grad oä. angegeben.
Folgende Schaltzeichen sind gebräuchlich:
Abstand der
Schaltschwelle
n = Hysterese
Spannung
Obere
Schaltschwelle
Untere
Schaltschwelle
t
Ausgang Q
t
Arbeitsweise:
•
Wenn die obere Schaltschwelle überschritten wird, ist der Ausgang Q high.
•
Wenn die untere Schaltschwelle unterschritten wird, ist der Ausgang Q low.
•
Wenn die Spannung zwischen den Schaltschwellen liegt, bleibt der Ausgang wie er zuvor
war, der Zustand wird "gespeichert".
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3.5
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Analoger Schwellwertschalter
(Komparator) in LOGO
Logo setzt den analogen Spannungswert an den Eingängen
AI1 bis AI4 im Bereich von 0 bis 10V in einen internen
Rechenwert 0 bis 1000 um.
Wir lassen zunächst Gain = 1,0
Spannung in V
interner
sowie Offset = 0 und den
Rechenwert
Messbereich 0 bis 1000.
0
0
Mit diesen Einstellungen kann
0,1
10
man später Eingangsgrößen
1
100
einem bestimmten
5
500
Wertebereich zuweisen.
Wenn Gain = 1,0 und
7,5
750
Offset = 0 ist, gelten
8,37
837
nebenstehende
10
1000
Zuordnungsbeispiele.
Der analoge Schwellwertschalter ist in Logo ein Komparator
mit 2 Schaltschwellen. Die Schaltschwellen heißen ON und
OFF und können getrennt eingegeben werden.
Benötigt man einen Schwellwertschalter mit einer
Schaltschwelle, so gibt man für beide Schaltschwellen den
gleichen Wert ein.
3.5.1 Schaltschwelle ON > Schaltschwelle OFF
Q = 1 falls Ax > ON
Q = 0 falls Ax <= OFF
Q bleibt falls OFF<=Ax<ON
Ax
ON
OFF
Q
3.5.2 Schaltschwelle ON < Schaltschwelle OFF (Fensterkomparator)
Ax
Q=1
falls Ax zwischen ON und OFF
OFF
ON
Q
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3.5.3 Testprogramm
•
•
•
Schalter AI1 / I7 auf A (Analogeingang = Poti nutzen)
Schaltschwellen:
•
ON (Ein): 600
•
OFF (Aus): 400
Meldetext mit Erklärungen und Anzeige des augenblicklich eingestellten Analogwerts.
3.5.4 Einstellungen Schwellwertschalter und Meldetext
3.5.5 Beobachtungen der Funktionsweise:
•
•
•
Erhöht man den Wert von 0 an, so geht die LED an, sobald der Wert 600 überschreitet.
Erniedrigt man den Wert von > 600 so geht die LED erst aus, wenn man 400 unterschreitet.
Im Bereich zwischen 400 und 600 bleibt der zuletzt ausgegebene Zustand erhalten.
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3.6
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Analoger Schadstoffmelder (Übung)
Die Schadstoffkonzentration wird von einem Sensor mit einer Spannung von 0 bis 10V gemeldet.
•
Wenn die Spannung kleiner als 4V beträgt, ist die Schadstoffkonzentration gering und die
grüne LED leuchtet.
•
Ist die Spannung größer als 4V, ist die Konzentration bedenklich und die rote LED leuchtet.
•
Auf dem Logo-Display soll die Konzentration von 0 bis 1000 und einer der Texte
Schadstoffe gering oder Schadstoffe bedenklich erscheinen.
3.6.1 Simulation Wert größer 400
•
•
rote LED leuchtet und der Meldetext "bedenklich" erscheint.
Wenn man Merker 25 an High anschließt, leuchtet die LCD-Hintergrundbeleuchtung
dauern. Würde man M25 an den Meldetext "bedenklich" anschließen, würde Beleuchtung
nur angehen, wenn der Schadstoffwert größer als 400 ist.
3.6.2 Simulation Wert kleiner als 400
•
grüne LED leuchtet und Meldetext "gering" erscheint.
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3.7
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Schadstoffkonzentrationsanzeige mit 3 Stufen (Übung)
Die Schadstoffkonzentration wird von einem Sensor mit einer Spannung von 0 bis 10V gemeldet.
•
Wenn die Spannung kleiner oder gleich 4V ist, herrscht ein geringe
Schadstoffkonzentration und die grüne LED leuchtet.
•
Liegt die Spannung zwischen 4 und 6V, ist die Konzentration mittel und die gelbe LED
leuchtet.
•
Überschreitet die Spannung 6V, so ist die Konzentration hoch und die rote LED leuchtet.
•
Auf dem Logo-Display soll die Konzentration von 0 bis 1000 als Zahl und als
Balkenanzeige erscheinen sowie einer der Texte Schadstoffe geringe Belastung / mittlere
Belastung / Gefahr angezeigt werden.
3.7.1 Simulation bei mittlerer Belastung
•
•
•
Schaltschwellen des mittleren Schwellwertschalters beachten!
(sonst leuchten bei 400 bzw. 600 jeweils 2 LEDs)
Nun aber Gefahr der Schwingungsneigung wenn auf der realen LOGO genau 400 oder 600
eingestellt wird. (Relais geht dauern an und aus, dies ist durch ein Rattern hörbar.)
Untere Zeile des Meldetexts als Ticker (Laufschrift)
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3.8
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2-Bit-Analog-Digital-Umsetzer aufgebaut aus 4 Schwellwertschaltern
Takt = Samplingrate wird bestimmt
durch die Programmlaufzeit
Ubatt=10V
A
Q2
2-Bit-Dualzahl
D
Analoger
Eingang
Q1
Digitale
Ausgänge
Am Eingang AI1 ist ein Poti angeschlossen, mit dem man Spannungen zwischen 0 un 10 V
einstellen kann. Wir bilden einen 2-Bit-Analog-Digital-Umsetzer nach mit folgenden
Eigenschaften. Bei Eingangsspannung zwischen 0 und 1V wird an den Ausgängen die
Dualzahl 00 dargestellt. Spannungen zwischen 1V und 2V bedeuten Dualzahl 01 usw. bis
zur Dualzahl 11.
Beachten Sie die eindeutige Zuordnung an den
Bereichsgrenzen!
Bedeutet 1V Dualzahl 00 oder 01?
Q2
0
0
1
1
Q1
0
1
0
1
Spannung zwischen
0 und 0,99
1 und 1,99
2 und 2,99
3 und 3,99
In den folgenden 2 Lösungen wurden in der Simulation 2,99V eingestellt → Zahl 2
Schwellwertschalter mit je einer
Schaltschwelle bei
1V, 2V, 3V, 4V
Schwellwertschalter mit je zwei
Schaltschwelle bei
0V/1V, 1V/2V, 2V/3V, 3V/4V
Beide obere Komparatoren melden 1
Nur der Komparator mit den Schwellen 2,00
und 3,00 meldet 1
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3.9
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Pumpensteuerung für thermische Solaranlage (Übung)
Die Warmwassererwärmung wird durch eine thermische Solaranlage unterstützt. Von den
Sonnenkollektoren auf dem Dach soll dann Wasser in den Warmwasserspeicher im Keller
gepumpt werden, wenn die Temperaturdifferenz zwischen Sonnenkollektoren und
Warmwasserspeicher 15°C beträgt.
Betriebsmittel:
•
2 Temperatursensoren: 0 - 10V entspricht 0 - 100°C
•
Pumpe
•
Schalter Unterstützung Warmwasser durch Solaranlage An / Aus
Anleitung: Der LOGO-Funktionsbaustein "Analogkomparator" besitzt 2 analoge Eingänge, deren
Differenzwert den Ausgang steuert.
3.10
Jalousiesteuerung (Übung)
Die Jalousien der Carl-Engler-Schule sollen dann heruntergefahren werden (Ausgang Q1=1;
Q2=0), wenn der analoge Sonnensensor eine Spannung von mehr als 8V abgibt. Bei einer
Spannung von 3V wird sie wieder hochgefahren (Ausgang Q1=0; Q2 = 1).
(Hinweis: Die Jalousie hat Endschalter, die beim Herunter- oder Hochfahren die Jalousie
automatisch stoppen, wenn die Endstellung erreicht ist.)
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3.11
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Temperaturmessung mit PT1000 und Messverstärker (Übung)
Der Messverstärker liefert Spannungen von 0V bis 10V, was Temperaturen von -30°C bis +70°C
entsprechen. Der Messverstärker benötigt eine Versorgungsspannung zwischen 12V und 24V.
3.11.1 Anschluss:
24V
PT1000
Messverstärker
ϑ↑↑
0..10V
0V
24V-Buchse
AIN3-Buchse
(I1)
0V-Buchse
LOGO
Schiebeschalter 1
auf 24V (Ain)
3.11.2 Verarbeitung der Zahlenwerte:
10V
1000
+70°C
0°C
700
+70.0°C
0.0°C
3V
300
0V
0
0
Logo-interne
Zuordnung
-300
Offset
-300
-30°C
Messverstärker
-30.0°C
Anzeige mit
1 Dezimalstelle
3.11.3 Programm Temperaturanzeige und Heizungssteuerung
Damit Logo ein Sinn in der Schaltung sieht, wird ein Ausgang benötigt, hier die Heizung.
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3.12
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Heizungsregelung mit 2-Punkt-Regler (Übung)
Als Heizung dient eine Halogenlampe. Unter der Lampe ist der Temperatursensor
angebracht, der durch die Heizung erwärmt wird. Die Lampe erhält ihre Energie von einem
12V-Netzteil und wird mit einem MOSFET ein- und ausgeschaltet. Der 5V-Ausgang der
LOGO-Platine kann den MOSFET direkt ansteuern.
24V
PT1000
ϑ↑↑
Mess0..10V
verstärker
0V
12V
LOGO-Steuerung
AIN3-Buchse
(I1)
GND-Buchse
Schiebeschalter 1
auf 24V (Ain)
G
Q1 out_5V
12V
GND
Wenn Ein- und Ausschalten bei der gleichen Spannung (Temperatur) erfolgt, hört man wie
das Relais oft schnell ein- und ausschaltet. Dies zerstört das Relais auf Dauer und der
schadet der Heizung.
Daher unterscheiden sich Ein- und Ausschaltpunkt, hier um 0,2°C (also 0,02V). Man
spricht von einer Hysterese von 0,2°C.
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3.13
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Heizungs-Zweipunktregeler mit Temperaturvorwahl am Poti
Die gewünschte Temperatur kann mit einem Potenziometer, das an AIN4 angeschlossen
ist, vorgewählt werden.
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Steuerungen in der Mechatronik
3.14
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Fernschalten der Heizung mit dem Smartphone (Übung)
Die Heizungsanlage kann über die Taster I3 oder über das
Smartphone F1 eingeschaltet und über I4 bzw F2
ausgeschaltet werden.
Achtung bei Verwendung in der Schule: Je nach
verwendetem Smartphone-Browser muss die LOGO-IPAdresse ohne http:// aufgerufen werden.
Rechts oben: Anlage aus, keine Regelung der Heizungs
Rechts Mitte: Anlage wurde mit F1 eingeschaltet. Die
Anlage heizt, weil der Sollwert kleiner als der Istwert ist.
Rechts Mitte: Anlage eingeschaltet. Die Anlage heizt nicht,
weil der Istwert größer als der Sollwert ist.
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4
Speichern von Informationen
4.1
Erklärung des Begriffs Speichern am Beispiel Fahrstuhlanforderung
Ich teile dem Fahrstuhl mit, dass er kommen soll durch Drücken des Tasters.
Der Fahrstuhl teilt mir mit, dass er sich die Anforderung gemerkt hat, indem die Lampe im
Taster leuchtet. Neu: Die Lampe leuchtet, auch wenn ich den Taster loslasse! Dies
funktioniert, weil meine Anforderung in einem Flipflop gespeichert wurde.
Sobald der Fahrstuhl da ist, setzt ein Kontakt im Fahrstuhlschacht das Fipflop zurück, die
Lampe erlischt.
4.2
RS-Flipflop
4.2.1 Schaltzeichen / einfache Funktionstabelle / Ablaufdiagramm
Q
S
R
S
R
Q
Zustand
0
0
Q
speichern
0
1
0
rücksetzen
1
0
1
setzen
1
1
0
rücksetzdominant
S
R
Q
4.2.2 Begriffe
Setzen (set): den Ausgang auf 1 bringen
Rücksetzen (reset): den Ausgang auf 0 bringen
Rücksetzdominant: Rücksetzen hat Vorrang vor Setzen; bei S=R=1 wird rückgesetzt
Highaktiv: die Eingänge reagieren auf 1
4.3
RS-Flipflop aus Grundgattern
4.3.1 erweiterte Funktionstabelle und abgelesene Funktionsgleichung
Zum Schaltungsentwurf muss man die Funktionstabelle erweitern:
Links steht der Zustand von Q vor der Tastterbetätigung, rechts nach der Tasterbetätigung
Qvor
S
R
Qnach
Zustand
0
0
0
0
speichern
0
0
1
0
rücksetzen
0
1
0
1
setzen
0
1
1
0
rücksetzdominant
1
0
0
1
speichern
1
0
1
0
rücksetzen
1
1
0
1
setzen
1
1
1
0
rücksetzdominant
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Q = (S * /R) + ( Q * /R)
/R ausklammern:
Q = /R * (S + Q)
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4.3.2 Schaltung
Q = /R * (S + Q)
R
1
S
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&
Q
≥1
4.3.3 Wie funktioniert das Speichern?
4.4
Durch Setzen=1 wird der Ausgang zu 1
Wenn anschließend Setzen=0 wird, bleibt
durch die Rückführung von Q=1 auf das
ODER am Setzeingang dieser Zustand
gespeichert.
Durch Rücksetzen=1 wird der Ausgang 0
Auch dieser Zustand bleibt erhalten, wenn
Rücksetzen wieder 0 wird.
Funktionsbaustein RS-Flipflop
Der Baustein heißt in Logo Selbsthalterelais
und hat die Funktions eines Rücksetzdominaten
RS-Flipflops.
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4.5
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Selektive Bandweiche
Auf einem Transportband werden lange und kurze Werkstücke in beliebiger Reihenfolge
transportiert. Die Bandweiche soll so gesteuert werden, dass die ankommenden Teile nach
ihrer Länge getrennten Abgabestationen zugeführt werden. Die Länge der Teile wird über
eine Abtastvorrichtung ermittelt (Rollenhebel): Durchläuft ein langes Teil die
Abtastvorrichtung, sind kurzzeitig alle drei Rollenhebel betätigt. Durchläuft ein kurzes Teil
die Abtastvorrichtung, wird kurzzeitig nur der mittlere Rollenhebel betätigt. Bewegt wir die
Bandweiche durch einen pneumatischen Zylinder, der von einem 5/2-Wegeventil mit
elektromagnetischer Betätigung und Rückstellfeder angesteuert wird. Ist der Elektromagnet
M1 des Ventils stromdurchflossen, fährt der Kolben des Zylinder aus.
Funktionsplan
[Ergänze die logische Schaltung für den Setz- und Rücksetzbefehl, teste evtl. die Funktion
in LOGO! (das Betätigte Magnetventil M1 entspricht dann der Lampe)]
S
Q
R
Bildquelle: Wellenreuther, G.& Zastrow, D. (2011): Automatisieren mit SPS – Theorie und
Praxis, Vieweg+Teubner, Wiesbaden, S. 103
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Steuerungen in der Mechatronik
4.6
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Milchanlage
Eine Milchanlage besteht aus zwei Tanks:
Der linke, große ist der Sammelbehälter, in dem die Milch zunächst gesammelt wird. Der rechte
Behälter dient dazu, die Milch im Hofladen des Bauernhofes abzufüllen. Dazu wird die Milch aus
dem Sammelbehälter mit Hilfe einer Pumpe in den Versorgungsbehälters des Hofladens gepumpt.
Für die Steuerung sind die folgenden Bedingungen zu beachten:
1. Die Pumpe darf nicht laufen, wenn der Sammelbehälter leer ist. Der Füllstand des
Sammelbehälters wird dabei über den Schwimmschalter S1 überwacht (S1 = 0
bedeutet, dass der Tank leer ist).
2. Die Pumpe darf nur dann anlaufen, wenn der Mindestfüllstand des Versorgungsbehälters unterschritten (S2 = 0) wird. Ist dies der Fall, wird der Behälter sofort auf die
maximale Füllhöhe aufgefüllt (S3 = 1). Sinkt der Milchpegel danach unter die maximale Füllhöhe ab, bleibt die Pumpe vorerst abgeschaltet (P = 0).
3. Die Pumpe darf nur anlaufen, wenn der Deckel des Versorgungsbehälters geschlossen ist (S4 = 1).
Funktionsplan
[Funktionsplan in LOGO! erstellen und testen, evtl. zunächst auf Papier
Überlege dir zunächst, wie der Setz- und Rücksetzeingang beschalten werden muss!]
Bildquelle: Informatik und Informationstechnik für allgemeinbildende und beruflich Gymnasien, Europa Lehrmittel: Haan-Gruiten, 2011,
S. 41
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4.7
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Reaktionstester
Mit zwei RS-Flipflops soll ein Reaktionstester für zwei Spieler gebaut werden (siehe Abbildung).
Gewonnen hat der Spieler, welcher zuerst seinen Buzzer betätigt und der Gewinn wird über eine
Lampe angezeigt.
Der Zustand der Lampen kann durch erneutes Drücken der beiden Spieler nicht mehr geändert
werden, sondern muss über die Taste Neues Spiel in den Ausgangszustand versetzt werden.
Funktionsplan
zunächst auf Papier, dann Abbildung durch Grundverknüpfungen und Leitungen ergänzen.
Bildquelle: Informatik und Informationstechnik für allgemeinbildende und beruflich Gymnasien, Europa Lehrmittel: Haan-Gruiten, 2011,
S. 41
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4.8
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Straßenbahn
In der Straßenbahn signalisiert der Fahrgast mit dem Betätigen von S1, dass er an der nächsten
Haltestelle aussteigen möchte. Der Wunsch des Fahrgastes wird gespeichert und über die Lampe
P1 als Haltesignal angezeigt.
a) Entwerfe eine passende Schaltung, in dem du die Abbildung durch Leitungen und ggf.
logische Grundfunktionen (UND, ODER, NICHT) ergänzt.
An der nächsten Haltestelle gibt der Fahrer über den Taster S2 die Tür frei. Die Tür öffnet nun
automatisch, falls vorher S1 betätigt wurde. Es besteht aber auch die Möglichkeit, die Tür mit dem
Drücken der Taste S1 direkt an der Haltestelle zu öffnen. Tür öffnet:E = 1, wobei ein Impuls an E
genügt. Nach 15 Sekunden schließt die Tür automatisch (was in der Aufgabe nicht umgesetzt
werden muss).
b) Erweitere die Schaltung entsprechend.
Ist die Tür vollständig geöffnet, soll die Lampe P1 (Haltesignal) gelöscht werden. Die Türanlage
liefert bei vollständig geöffneter Tür A = 1, in allen anderen Fällen A = 0. Mit der Taste S3 sperrt
der Fahrer die Türanlage und das Haltesignal wird gelöscht.
P1
S
Q
R
Bildquelle: Informatik und Informationstechnik für allgemeinbildende und beruflich Gymnasien, Europa Lehrmittel: Haan-Gruiten, 2011,
S. 41
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5
Zeitgeber, Timer
5.1
Einschaltverzögerung
Eingang 0
→ Ausgang 0
5.2
Eingang 1 → während
der Verzögerungszeit
ist der Ausgang 0
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Eingang 1 → nach der
Verzögerungszeit
ist der Ausgang 1
Logo-Ausschaltverzögerung
Eingang 0
und Zeit abgelaufen
→ Ausgang 0
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Eingang 1
→ Ausgang 1
Eingang wechselt auf 0
→ während der
Verzögerungszeit
ist der Ausgang 1
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5.3
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Norm-Ausschaltverzögerung
Trg
Q
Zeit läuft
Eingang 0
und Zeit abgelaufen
→ Ausgang 0
5.4
Eingang 1
→ Ausgang 0
Eingang wechselt auf 0
→ während der
Verzögerungszeit
ist der Ausgang 1
Lauflicht mit Norm-Ausschaltverzögerungen
Durch Hintereinanderschaltung von 3 Norm-Ausschaltverzögerungen ist ein Lauflicht nach
dem vorgegebenen Ablaufdiagramm zu programmieren.
I1
Q1
Q2
Q3
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5.5
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Automatisches Lauflicht
a) Nr 5.4 ist entsprechend de folgenden Ablaufdiagramms abzuändern.
I1
Q1
Q2
Q3
b) Statt des Schalters wird ein Merker verwendet, der nach Doppelklick als „Anlaufmerker“
verwendet wird.
5.6
Einfache Ampelsteuerung
Folgender Ablauf soll realisiert werden:
Anleitung:
M1
M2
M3
M4
rot
gelb
grün
5.7
Bauen Sie eine NormAusschaltverzögerung auf, wobei sie
jedoch den Ausgangsblock Q1 durch
einer Merker M1 ersetzen
Kopieren Sie die entstandene
Verzögerungsschaltung drei Mal
untereinander und verschalten Sie
diese wie für ein Lauflicht.
Schalten Sie
Die Ausgänge der Merker sind nun
mit geeigneten UND/-ODERVerknüpfungen mit den Ausgängen
Q1 (rot), Q2 (gelb), Q3 (grün) zu
verbinden.
Fußgänger-Ampel
Ergänzen Sie Ihre Ampel durch eine Fußgängerampel.
5.8
Fußgänger-Bedarfsampel
Ändern Sie Ihre Ampel so ab, dass der Zustand „Auto-rot“ nur dann verlassen wird, wenn
ein Fußgänger „grün“ angefordert hat.
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Achtung:
Die folgenden Beispiele von Ablaufsteuerungen
sind der Umwelttechnik entnommen.
Im Unterricht der Mechatronik wird die Hardware
Festo-Meclab eingesetzt.
Die entsprechende Ergänzung dieses Scripts
erfolgt, sobald ich Zeit dazu finde.
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6
Prinzip von Ablaufsteuerungen
6.1
Funktion einer Schrittkette
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6.1.1 Schaltung einer Schrittkette in LOGO oder in Fluid-Sim
M1
M2 ≥1
∙∙∙
Start-Bedingung,
z.B. Start-Taster
Schritt1
M1
&
≥1
S
R
Schritt2
Übergangs-Bedingung
zu Schritt 2
&
≥1
Bedingung
alle Schritte auf 0
S
R
Q1
Betriebsmittel 1
Q2
Betriebsmittel 2
Q3
Betriebsmittel 3
M
M2
M
Logik
zur
Ansteuerung
der
Betriebsmittel
∙
∙
∙
∙
∙
∙
6.1.2 Prinzipien
•
Nach dem Einschalten (Reset) sind alle RS-FFs rückgesetzt (M=0)
•
Ein Schritt ist aktiv, wenn das zugehöhrige RS-FF gesetzt ist (M=1)
•
Es kann nur in den nächsten Schritt geschaltet werden, wenn eine
Übergangsbedingung erfüllt ist und der vorhergende Schritt aktiv ist.
Dies wird erreicht durch die Rückführung (rot) des Ausgangs M1 auf die UNDVerknüpfung vor dem S-Eingang von M2.
•
Ein RS-Flipflop kann nur dann zurückgesetzt werden, wenn das RS-FF des
Folgeschritts gesetzt wurde (M=1) oder bei NOT-Aus.
Sobald Schritt 2 aktiv ist, wird Schritt1 sofort 0. Dies wird sichergestellt durch die
Rückführung (blau) von M2 auf das ODER vor dem R-Eingang von M1.
•
Die Ansteuerung der Betriebsmittel erfolgt durch logische Verknüpfung der FlipflopAusgänge.
6.1.3 Anmerkung: Warum heißen die Flipflop-Ausgänge M?
Normalerweise bezeichnet man die Flipflop-Ausgänge mit Q. Wenn wir aber die Schaltung
in LOGO eingeben, heißen die Ausgänge der Schaltung Q, an denen die Betriebsmittel
(Lampen, Motoren usw.) angeschlossen sind. Hinter die RS-FFs müssen Merker
geschaltet werden, die sich die Zustände der RS-FFs merken.
Daher bezeichnen wir die Ausgänge der Flipflop-Schaltungen mit den Merkern als M und
die Ausgänge der Gesamtschaltung mit Q.
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Steuerungen in der Mechatronik
6.2
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Grafische Ablaufdarstellung einer einfachen Befüllung
Technologieschema
6.2.1 Beschreibung der Anlage
Ein Behälter besitzt je einen Flüssigkeits-Zulauf- und ein
Ablaufventil. Ein Rührer bewegt die Flüssigkeit im Behälter.
Zwei Sensoren messen einen oberen und einen unteren
Füllstand.
6.2.2 Gewünschter Ablauf
Ventil oben
M Rührer
Füllstand
Nachdem die Anlage mit Spannung versorgt wurde und
oben
damit eingeschaltet ist, befindet sie sich im Grundzustand, in
dem beide Ventile geschlossen sind und der Rührer sich
Füllstand
nicht dreht.
unten
Die Befüllung wird durch Drücken des Starttasters gestartet.
Dann läuft von oben solange Flüssigkeit in den Behälter, bis Ventil unten
der obere Füllstand erreicht ist. Das untere Ablaufventil ist
dabei geschlossen, aber der Rührer dreht sich.
Anschließend wird das obere Ventil geschlossen und die
Starttaster
(durch die Füllstandsmessung portionierte Flüssigkeit) läuft
unter ständigem Rühren druch Öffnen des unteren Ventils ab (z.B. in eine Flasche, die
genau den Behälterinhalt aufnehmen kann).
Ist der untere Füllstand unterschritten (Behälter leer), geht die Anlage wieder in den
Grundzustand.
6.2.3 Grafik des Ablaufs
Step1
Starttaster gedrückt
Start_Taster
&
Step2
Füllstand oben erreicht
Fuell_oben
Fuell_unten
Ventil oben auf
Ventil_oben
N
Rührer einschalten
Ruehrer
N
Ventil unten auf
Ventil_unten
N
Rührer einschalten
Ruehrer
&
Step3
Füllstand unten erreicht
N
&
Zu Step1
Der Wechsel von einem Schritt in den nächsten erfolgt durch die links angegebenen
Bedingungen.
Rechts wird angegeben, welcher Aktor in welchem Schritt angesteuert wird.
Steuerungstechnik-Mech2015.odt
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6.3
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Zugehöriges Zeitablaufdiagramm: einfache Befüllung
Annahme: Zu Beginn ist der Behälter leer.
Starttaster
Füllstand oben
Füllstand unten
Step1 (M1)
Step2 (M2)
Step3 (M3)
Ventil oben
Ventil unten
Rührer
Zustand,
Schritt
Grundzustand,
Schritt 1
Befüllen,
Schritt 2
Entleeren,
Schritt 3
Grundzustand,
Schritt 1
Füllstand unten
Füllstand oben
Beim Einschalten
Starttaster
→ Wechsel zu Step1
→ Wechsel zu Step3
setzt der
→ Wechsel zu Step2
→ M3 = 0, M1 = 1
→ M2 = 0, M3 = 1
Anlaufmerker
→ M1 = 0, M2 = 1
→ Ventil unten
M1 auf 1.
→ Ventil oben
Alle anderen
Füllstand unten
Taster
Füllstand oben
Schritte bleiben 0. betätigen
unterschritten
überschritten
Steuerungstechnik-Mech2015.odt
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6.4
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Schaltung aufgebaut in LOGO
Eingänge
Schrittkette
Ausgänge
→Übergangsbedingungen von
einem Schritt zum nächsten
→ immer nur ein
Schritt ist aktiv
→Aktoren sind in einem oder
mehreren Schritten aktiv
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7
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Ablaufsteuerung einer Waschstraße
Ber
Gebl
RW
M
M
Anlage
Ein
Start
NotAUS
Transp
Hrot
Hgr
L1
M
Hgr Hrot
L2
L3
M
H
Ind
Der zeitliche Verlauf dieser Ablaufsteuerung lässt sich folgendermaßen beschreiben:
Grundzustand: AUS
Nach dem Einschalten der Versorgungsspannung und nach NOT-AUS.
Alle Betriebsmittel sind aus, das Relais H besitzt eine Ruhekontakt, an dem die rote Ampel
angeschlossen ist, diese leuchtet.
1. Schritt: BEREIT / AUSFAHRT
Die Ampel ist grün.
2. Schritt: EINFAHRT
Der Waschvorgang kann durch Betätigen der Starttaste (Start =1) eingeleitet werden,
allerdings nur dann, wenn ein Fahrzeug über die Induktionsschleife (Ind = 1) erkannt wird.
In diesem Fall wird das Transportband (Trans =1 ) eingeschaltet.
3. Schritt: WASCHEN
Das Fahrzeug wird vom Transportband durch die einzelnen Stationen der Waschanlage
befördert. Erreicht das Fahrzeug die Lichtschranke 1 (L1 = 1), sollen die Reinigungswalze
(RW = 1) und die Berieselungsanlage (Ber = 1) eingeschaltet werden.
Gleichzeitig ist die rote Ampel (Hrot = 1) einzuschalten die signalisiert, dass das nächste
Fahrzeug noch vor der Waschanlage warten muss.
4. Schritt: TROCKNEN
Beim Erreichen der Lichtschranke 2 (L2 = 1) muss einerseits das Stellventil der
Berieselungsanlage wieder geschlossen werden (Ber = 0), und andererseits ist die
Reinigungswalze auszuschalten (RW = 0).
Gleichzeitig schaltet sich das Trocknungsgebläse ein (Gebl = 1).
1. Schritt: AUSFAHRT
Erreicht das Fahrzeug schließlich die Lichtschranke 3 (L3=1), ist der Trocknungsvorgang
beendet. Gebläse und Transportband werden wieder ausgeschaltet. Die grüne Ampel
muss eingeschaltet werden.
Dieser Schritt entspricht dem Schritt BEREITschaft
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7.1
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Aufgaben
Zeichnen Sie Ablaufdarstellung und vervollständigen Sie das Zeitablaufdiagramm.
Entwickeln Sie daraus die Beschaltung der Schrittkette.
Zeichnen Sie das LOGO!-Programm unter Verwendung einer fertigen Schrittkette.
7.2
Ablaufdarstellung Waschstraße
Step1
&
Step2
&
Step3
&
Step4
&
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7.3
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Zeitablaufdiagramm Waschstraße
Anlage EIN
Start
Not-Aus
Ind
L1
L2
L3
Hrot
H = grün
RW
Ber
Gebl
Trans
Zustand,
Schritt
Bereit Schritt 1
Einfahrt,
Schritt 2
Waschen,
Schritt 3
Trocknen,
Schritt 4
Bereit,
Schritt 1
M1 = 1
M2 = 1
M3 = 1
M4 = 1
M1 = 1
AUS
hier kann man ablesen gut die Ansteuerungsschaltung für Betriebsmittel ablesen:
grün = M1 + M2
RW = Ber = M3
Gebl = M4
Trans = M2 + M3 + M4
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7.4
Waschstraße Steuerungsschaltung mit Schrittkette aus RS-Flipflops
schwarz: vorgefertigtes Arbeitsblatt
blau: ergänzte Bauteile für die Waschstraße
M1
M1
M2 ≥1
M3
EIN
M2
≥1
S
R
M4
M1
&
M3
M2
L1
M4
M3
L2
M1
M1
≥1
Start
Ind
M3
Schritt1
&
≥1
L3
M2
RW
Schritt2
&
≥1
S
R
M2
Ber
Gebl
Schritt3
&
≥1
H (grün)
S
R
M3
≥1
Trans
Schritt4
&
≥1
S
R
M4
Not-AUS
Hinweis:
Die rote Lampe geht an, wenn die grüne Lampe aus ist.
Die Umschaltung erfolgt durch das Relais H
Besonderheiten:
•
Einschalten (EIN) der Anlage möglich nach dem Resetzustand (M1=M2=M3=M4=0) oder
nach Schritt 4.
•
M4 wird gelöscht, wenn M1 = 1.
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7.5
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Schrittkette Waschstraße in LOGO
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8
Schaltwerk für eine Waschmaschine
Mit Hilfe einer Schrittkette soll eine Waschmaschinensteuerung entworfen werden.
8.1.1 Betriebsmittel
•
Kaltwasserventil V
•
Heizung H
•
Motor M
•
Pumpe P
Wasserzulauf
Ventil
Waschtrommel
V
8.1.2 Weiterschaltung
in den nächsten Schritt ist
abhängig von
•
einem Starttaster S,
•
einem oberen
Füllstandssensor
Foben,
•
einem unteren
Füllstandssensor Funten,
•
einem Temperatursensor T
•
und einem Zeitgeber Z.
Heizung
H
Wasserablauf
M
Motor
Pumpe
M
P
8.1.3 Funktion des Zeitgebers
Sobald an seinem Eingang Ze eine 1 anliegt, liefert der Ausgang Za
nach genau 10 Minuten einen kurzen Impuls.
Ze
Ze
Za
Za
20min
8.1.4 Ablauf
Der Ablauf der Steuerung findet in den folgenden Schritten statt:
1. Alles ausgeschaltet (nach Reset)
2. Wasserzulauf
Start des Waschvorgangs durch Taste S (S=1) -> Waschtrommel mit Wasser füllen
(V=1), bis Füllstand (Foben=1) erreicht.
3. Heizen
Motor einschalten (M=1). Heizung einschalten (H=1), bis Temperatur (T=1) erreicht.
4. Waschen
Zeitgeber aktivieren -> Motor bleibt eingeschaltet, bis nach 10 Minuten kurz Za=1
wird.
5. Abpumpen
Motor ausschalten. Abpumpen (P=1), bis der Füllstand unterschritten wird (Fu=0)
6. Alles ausgeschaltet wie 1. -> Ende des Waschvorgangs
8.2
Aufgaben
Zeichnen Sie Ablaufdarstellung und vervollständigen Sie das Zeitablaufdiagramm.
Entwickeln Sie daraus die Beschaltung der Schrittkette.
Zeichnen Sie das LOGO!-Programm unter Verwendung einer fertigen Schrittkette.
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8.2.1 Verwendete Abkürzungen
8.3
V
M
H
P
S
Fo
Fu
T
Ze
Za
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Ventil
Motor
Heizung
Pumpe
Starttaste
Füllstand
Füllstand
Temperatursensor
Zeitgeber
Zeitgeber
oben
unten
Eingang
Ausgang
Ablaufdarstellung Waschmaschine
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Step1
&
Step2
&
Step3
&
Step4
&
Step5
&
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8.4
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Zeitablaufdiagramm Waschmaschine
Starttaste S
Füllstand oben
Fo
Füllstand unten
Fu
Temperatur T
Ze Zeitgeber
Eingang
Za ZeitgeberAusgang
Ventil V
Motor M
Heizung H
Pumpe P
Zustand,
Aus
WasserGrund- zulauf
zustand Schritt 1
Schritt
M1 = 1
8.5
Heizen,
Waschen,
Schritt 2
Schritt 3
Abpumpen, Aus
GrundSchritt 4
zustand
M2 = 1
M3 = 1
M4 = 1
Erklärung der Funktion des Zeitgebers (Timers)
Der Zeitgeber heißt in Logo Einschaltverzögerung. Wir versenden ihn aber als
Übergangsbedingung, um einen Zustand (Schritt) wieder automatisch zu verlassen.
•
•
Der Eingang des Zeitgebers wird an den
Ausgang des FFs angeschlossen, das den
Schritt signalisiert, hier Schritt3.
Sobald der Schritt aktiv ist, startet der
Zeitgeber.
Ze
Ze
Za
Za
20min
•
Wenn die im Funktionsbaustein eingestellte Zeit abgelaufen ist, geht der Ausgang
des Zeitgebers auf 1. Dieser ist an den Setz-Eingang des nächsten RS-FFs
angeschlossen. Dadurch beginn der nächste Schritt (4)
•
Mit diesen nächsten Schritt (4) wird das FF des vorherigen Schritts (3) rückgesetzt
und damit auch der Eingang des Zeitgebers. Dadurch geht auch der Ausgang des
Zeitgebers wieder auf 0.
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8.6
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Schrittkette Waschmschine, realisiert mit LOGO
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9
Schwimmbecken mit Sonnenkollektorheizung
9.1
Technologieschema
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Reinigungsmittel
Sonnenkollektor
S Starttaste
RMleer
Filter
Wärmetauscher
H
Heizung
ZH Zusatzheizung an
RMauf
Schwimmbecken
SP
Solarpumpe
Duchfluss zum Filter V=0
Durchfluss zum Wärmetauscher V=1
9.2
TB
Temperatur
Becken
UP
Umwälzpumpe
Gewünschter Ablauf
0. Aus: Alle Betriebsmittel aus, 2-Wegeventil Richtung Filter
Einschalten mit Starttaste, dies kann auch der Impulskontakt einer Zeitschaltuhr
sein.
Bei allen weiteren Schritten ist die Umwälzpumpe an.
1. Reinigungsmittel hinzufügen bis Portionsbehälter leer (RMleer = 1).
2. Durchfluss zum Wärmetauscher, Solarpumpe an bis Zeitgeber 15min abgelaufen
ist. Das Becken wird über die Wärmetauscher von den Sonnenkollektoren geheizt.
3. Durchfluss zum Filter,
Heizung an, falls Zusatzheizung gewünscht (ZH = 1) und Temperatur des Beckens
zu gering ist (TB = 0).
Übergang zum nächsten Schritt wenn der Zeitgeber nach 10min abgelaufen ist.
4. Durchfluss zum Filter, Heizung aus, Nutzung der Heizungsnachwärme für 5 min,
anschließend weiter mit Schritt 2
Hinweis: Verwenden Sie 3 Zeitgeber-Bausteine
(LOGO: Einschaltverzögerungen)
9.3
Aufgaben
Ze
Ze
Za
Za
10min
Zeichnen Sie die Ablaufdarstellung und vervollständigen Sie das Zeitablaufdiagramm.
Entwickeln Sie daraus die Beschaltung der Schrittkette.
Zeichnen und testen Sie das LOGO!-Programm unter Verwendung einer fertigen
Schrittkette.
Wenn der Ablauf funktioniert, fügen Sie folgende Änderung ein:
Statt des Sensors TB wird die gemessene Temperatur mit einem am Poti voreingestellten
Sollwert verglichen. Temperatur 0...100°C entspricht in LOGO dem Zahlenwert 0 bis 1000.
Ebenso ist am Poti theoretisch ein Vorgabewert von 0 bis 1000 (wobei der Wert elektrisch
auf 250 begrenzt ist (25C°))
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9.4
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Ablaufdarstellung
Step1
&
Step2
&
Step3
&
Step4
&
9.5
Zeitablaufdiagramm
Starttaste S
RMleer
Zusatzheizung
gewünscht ZH
Temperatur
Becken TB
Ventil Reinigungsmittel RM
Umwälzpumpe UP
Zweiwegeventil V
Solarpumpe SP
Heizung H
1. Timer 15 min
1. Timer 10 min
2. Timer 5 min
Zustand,
Schritt
Aus Reinigungs15 min solar 10 min filtern, 5 min
15 min solar 10 min
mittel zufügen beheizen
heizen
Nachlauf beheizen
filtern
M1 = 1
M2 = 1
M3 = 1
M4 = 1
M2 = 1
M3 = 1
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9.6
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Schrittkette in LOGO mit analoger Temperaturmessung und
Meldetexten
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Hinweis: Zu Testzwecken wurden die Timer auf Sekunden statt Minuten eingestellt.
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10
Mischanlage
10.1
Technologieschema
10.2
F1
Füllstandssensor Behälter 1
V1
Auslass-Ventil Behälter 1
F2
Füllstandssensor Behälter 2
V2
Auslass-Ventil Behälter 2
R
Rührer
H
Heizung
Fo
Füllstand oben
Fm
Füllstand Mitte
Fu
Füllstand unten (leer -> Fu = 0)
T
Temperatur Mischbehälter
VM
Auslass-Ventil Mischbehälter
S
Starttaste
Behälter 1
Behälter 2
F2
F1
V1
V2
M R
MischBehälter
Fo
T
Fm
H
Fu
VM
S Starttaste
Gewünschter Ablauf
Grundzustand: alle Betriebsmittel aus, Ventile sind geschlossen.
Jeder der Behälter 1 + 2 besitzt ein rote Warnlampe, die signalisiert, dass der Behälter leer
ist. Wenn eine der Lampen leuchtet, kann die Anlage nicht gestartet werden.
Wenn der Mischbehälter leer ist , die beiden Behälter 1+2 gefüllt sind und die Starttaste
gedrückt wird, öffnet Ventil das Ventil des Behälters 1 und Flüssigkeit 1 wird in den
Mischbehälter gefüllt.
Wenn der untere Füllstand (Fu = 1) erreicht ist, wird V1 geschlossen und die Flüssigkeit
aus Behälter 2 wird in den Mischbehälter gefüllt bis der obere Füllstand (Fo = 1) erreicht ist.
Nun ist der Zulauf beider Flüssigkeiten beendet, sie können verrührt werden. Dazu werden
Rührer und Heizung eingeschaltet bis die gewünschte Temperatur erreicht ist (T = 1).
Nun bleibt der Rührer 10 min alleine an.
Anschließend wird die Mischflüssigkeit mit VM abgelassen, der Rührer bleibt eingeschaltet.
Sobald der Mischbehälter leer ist, geht die Anlage in den Grundzustand.
10.3
10.4
Aufgaben
•
Überlegen und begründen Sie, wie viele Zustände Sie benötigen und benennen Sie
die Zustände sinnvoll.
•
Zeichnen Sie das Zustandsdiagramm oder die GRAFCET-Darstellung sowie das
Zeitablaufdiagramm.
•
Entwickeln Sie daraus die Beschaltung der Schrittkette.
•
Zeichnen Sie das LOGO!-Programm unter Verwendung einer fertigen Schrittkette
Zusatzaufgabe
Die Füllstände Fo, FM, Fu werden von einem analogen Sensor FA erfasst.
Welche Programmänderungen sind notwendig?
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10.5
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Ablaufdarstellung
Step1
&
Step2
&
Step3
&
Step4
&
Step5
&
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10.6
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Zeitablaufdiagramm
Starttaste S
Füllstand
Behälter 1 F1
Füllstand
Behälter 2 F2
Füllstand Mischbehälter oben Fo
Füllstand Mischbehälter Mitte Fm
Füllstand Mischbehälter unten Fu
Temperatur T
Ventil Behälter 1
V1
Ventil Behälter 2
V2
Ventil MischBehälter VM
Rührer R
Heizung H
Zustand,
Schritt
Aus Flüssigkeit 1 Flüssigkeit 2 Heizen
befüllen
befüllen
M1 = 1
M2 = 1
M3 = 1
Rühren
10 min
M4 = 1
Entleeren
M5 = 1
Flüssigkeit 1
befüllen
M1 = 1
Hinweis: Wenn man den Ablauf mit 4 Schritten löst, bleibt der Ablauf bestehen, jedoch sind M4
und M5 zusammen ein Schritt.
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10.7
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Mischanlage Schrittkette mit 3 Schritten in LOGO
Der Timer startet den 5. Schritt. Dessen Ausgang geht wieder auf null, wenn der Eingang (M4 )
beim 5. Schritt auf null geht.
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10.8
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Mischanlage Schrittkette mit 4 Schritten in LOGO
Hier sieht man, warum der Timer in LOGO Einschaltverzögerung heißt. Er schaltet das Ventil VM
in Schritt 4 mit einer Verzögerung ein. Das Ventil wird ausgeschaltet, wenn der Timereingang auf
null geht, also Schritt 4 beendet wird weil der Mischbehälter leer ist.
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10.9
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Mischanlage mit analogem Füllstandssensor des Mischbehälters
An den analogen Eingang sind 3 analoge Schwellwertschalter geschaltet, die feststellen, ob der
Füllstand oberhalb des eingestellten Schwellwerts ist.
Die eingestellten Schwellwerte sind unten: 1% , Mitte: 40%, oben 80% des Maximalwerts.
Da der LOGO-interne maximale Rechenwert 1000 beträgt (-> 10V), wurde 10, 400, 800 eingestellt.
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